烏蘭布和沙漠地下水補給研究

李玲　魏國孝　岳寧　闞飛　丁林凱

摘要：利用放射性同位素（ 14C）測年和氯質量平衡理論，研究烏蘭布和沙漠地下水年齡以及地下水補給速率。結果表明：通過14C測年并修正后得出的研究區飽和帶地下水年齡為22 000 a-現代，利用氯質量平衡理論推算出非飽和帶5.5 m深處地下水年齡為2 645 a：研究區非飽和帶地下水的補給速率為0.19 - 2.55 mm/a，均值為1.12 mm/a，故包氣帶直接補給潛水和承壓水的水量微乎其微。

關鍵詞：14C測年;氯質量平衡理論;補給速率;烏蘭布和沙漠

中圖分類號：P641.74

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn. 1000-1379.2019.04.011

研究表明，約1/3的人類用水是由地下水資源供給的，包括20億人的飲用水和全球40%的耕地灌溉[1]。干旱地區生態環境極其脆弱，當地水資源總量非常有限[2]，降水量微乎其微、分布不均且蒸發量大[3]，故沙漠地區地下水是極其重要的，在地下水研究中，降水補給淺層地下水的多少是重要且頗有爭議的問題之一[4]。運用水量平衡法和達西流分析方法估算干旱半干旱地區地下水補給速率存在較大誤差，人工示蹤劑法則無法在短期內得出有用的結果，而環境示蹤劑法在估算包氣帶中地下水補給速率是合理的[4]，故運用Cl-數據，基于氯質量平衡理論估算非飽和帶地下水的補給速率是較為可靠的。

有學者對我國沙漠地區的地下水補給速率和地下水年齡進行了研究，如Ma J.等[5]、J.B.Gates等[6]利用環境示蹤劑對巴丹吉林沙漠的地下水補給速率和地下水年齡進行了估算。地下水年齡是評價地下水系統可更新能力的重要指標[7]，地下水測年的方法有水動力學法、水化學動力學法和環境同位素法[8]，其中3H、32Si、37Ar、85 Kr和222 Rri主要用于探測較年輕的地下水，而14C、36Cl、39Ar和81 Kr用于探測古地下水年齡[9]，氚和14C為直接估算干旱半干旱區淺層地下水系統的更新速率提供了獨特的方法[10-11]。

筆者將烏蘭布和沙漠作為研究區，以氯質量平衡理論、14C測年為基礎，對其地下水的C1一累積年齡、14C年齡和包氣帶水補給速率進行研究，以期為當地地下水資源的開發利用和管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

烏蘭布和沙漠是我國八大沙漠之一，位于東經105°59′一106°41′、北緯39°41′ —40°31′，北起狼山，南至賀蘭山麓，東北與河套平原相鄰，東與黃河相鄰，西至吉蘭泰鹽湖[12]，海拔1 028～1 054 m.面積約為1.1萬km2。多年平均降水量110 mm，主要集中在7—8月：多年平均水面蒸發量為2 866 mm，是多年平均降水量的26倍。

研究區的水文地質條件十分復雜，烏蘭布和沙漠東南部的賀蘭山北段為補給區，西南部的吉蘭泰鹽湖為徑流區（排泄區）;西北部的巴彥烏拉山基巖由古生代變質巖系以及燕山期侵入巖組成，山前含水層主要富集了基巖裂隙水。烏蘭布和沙漠是補給區，直接接受降水補給（見圖1）[13]。

1.2 水樣采集與處理

野外實地采集10個地下水樣（見圖2），包括7個淺層地下水（埋深5 -52 m）水樣（WIO、WI1、W12、W14、W15、W17、W18）、1個中層地下水（52 - 115 m）水樣（ W16）和2個深層地下水（115 m以下）水樣（W13、W19）。采用手工沙漠鉆，從地表往下逐次鉆取3個包氣帶巖芯W5（深5.5 m）、W6（深13.25 m）和W7（深14.0 m）。大部分的深層井水樣用潛水泵采集得到，采樣時現場記錄井深、經緯度、地下水埋深等。采集到水樣后，先利用濾膜孔徑為0.45 μm的過濾器將水樣過濾，再裝到用凈水潤洗過3次以上的聚乙烯采樣瓶中。

樣品中的碳同位素在澳大利亞阿德萊德市的聯邦科學與工業研究組織（ CSRIO）土地與水資源實驗室測得，溶解無機碳（ DIC）通過常規的磷酸平衡法測量，將樣品加入85%的磷酸進行反應產生C02，將得到的CO，送到澳大利亞國立大學實驗室，采用加速質譜儀（ AMS）測量14C;土壤含水量采用烘干法測定;Cl-的預處理采用離心方法，然后送到蘭州大學西部環境教育部重點實驗室，用美國DIONES公司生產的ISN-2500離子色譜儀測定Cl-濃度。

1.3 研究方法

1.3.1 地下水14C測年

通過研究放射性同位素估算地下水年齡是一種行之有效且應用廣泛的方法。利用放射性同位素14C測定區域含水層年齡是應用最為廣泛的一種技術，以地下水中的溶解無機碳（ DIC）作為示蹤劑，以14C測定地下水中溶解無機碳的年齡[14]。測年計算公式為

t=8 267ln（Ao/A）

（1）式中：t為水樣14C年齡;A0為初始14C含量，為100 pmc（現代碳的百分比）;A為衰變后的14C含量[9.14-15]。

1.3.2 氯質量平衡理論

1969年.E.Eriksson等[16]提出利用地下水中氯化物的濃度來估算地下水的補給速率。氯質量平衡理論基于以下假設：大氣中的Cl-濃度以降雨中的Cl-濃度來表征，可用較長時間的加權平均值來代替;Cl-在循環過程中不參與任何地球化學反應：土壤水分運移可假設為活塞式向下垂直一維流[17]。

根據質量守恒原理，假設大氣是Cl-的唯一來源，補給速率R計算公式為[18]

2 結果與分析

2.1 飽和帶地下水測年

地下水中的C大多來自滲流帶土壤中的CO，，但高含量的14C通常在地下水補給和運移過程中被低含量的14C礦物溶解物所稀釋[14].同一時代不同物質標本的14C放射性是不同的，利用其計算得到的物質年齡會有一定的差異，因此通過14C測得的地下水年齡需要校正。校正14C測年的結果常用的幾種模型有Vogel[7]、Tamers、Fontes - Garnier、Pearson、Evans [20]、Eichinger - Gonfiantini[14-15]。本文通過Tamers、Pearson、Fontes - Garnier模型校正的A0值較為相近，分別為52.4+1.8、51.8+1.7、48.1+19.1 pmc，而Evans、Eichinger- Gonfiantini模型校正的Ao值偏低，分別為36.0+3.4、37.2+4.6 pmc。表1是通過Netpath軟件模擬得出的，表中年齡均指距今的年齡（負值是指現代水）。

由表1可知：813 C值變化范圍為- 14. 31%。 --6.35%。（平均值為-9.82%0）;Vogel模型校正得到的地下水年齡最大;基于Pearson、Fontes - Gamier、Evans3個模型校正后得到的地下水年齡較為相近，在（2 a，888 a）這一區間變化，基于這3個模型校正后的烏蘭布和沙漠飽和帶地下水年齡為22 000 a-現代，地質年代為第四紀。校正后地下水年齡出現負值現象，原因可能是：①這些樣點代表的是現代水，地下水年齡較小，而14C的半衰期較長[8-9].故應選取半衰期較短的同位素;②樣品取自井中，受到降水等外界環境的影響。

2.2 非飽和帶地下水補給速率和年齡

研究區鉆孔取樣剖面非飽和帶含水量與深度關系見圖3（a）：W5鉆孔深5.5 m，剖面含水量隨著深度的增大而增大，變化范圍為0 - 15%，含水量較大的原因是該鉆孔最終出水：W6鉆孔深13.25 m.剖面含水量隨著深度增大呈增大趨勢，0-2.25 m區間含水量先增大后減小，2. 25 - 10. 25 m區間含水量波動較大，10.25 - 13.25 m區間含水量先減小后增大，變化范圍為0 - 3.5%：W7鉆孔深14 m.剖面含水量呈先減小后增大趨勢，但趨勢不明顯，變化范圍為1.5% -3.0%。鉆孔剖面Cl-濃度與深度關系見圖3（b）：W5的Cl-濃

度在深3-4 m之間時出現最大值，約為1 750 mg/L;W6的Cl-濃度在2-3 m之間達到最大值，約為1 125mg/L，之后迅速減小并表現為小幅度波動，其中在8.5m深時濃度最小，這可能是采樣或試驗過程中人為因素所造成的：W7的Cl-濃度在4-5 m之間達到最大值，約為275 mg/L，較前兩個鉆孔的極大值埋深大，原因可能是該鉆孔所處位置降水量較大，降水下滲補給地下水的速度快，且位于迎風坡，新沙的沉積作用更明顯[17]。

W5、W6的多年平均降水量是根據吉蘭泰鎮氣象站1955-1999年的降水資料計算的，為103.4 mm/a;W7多年平均降水量是根據烏海市氣象站1956-1999年的降水資料計算的，為143.5 mm/a。鑒于研究區的氣候與巴丹吉林沙漠相近，[ Clv]參考前人關于巴丹吉林沙漠的研究成果[5.22-23]，計算出多年大氣降水中Cl-加權平均濃度為1.5 mg/L。依據氯質量平衡理論估算的地下水補給情況見表2.可以看出，地下水補給速率為0. 19 -2.55 mm/a（均值為1.12 mm/a），相當于0. 18% -1.80%的多年平均降水量，因此降水對于包氣帶的補給是微乎其微的。根據氯質量平衡理論推斷Cl-累積年齡，即包氣帶剖面上的地下水年齡，W5（鉆孔最終出水）在5.5 m深處為2 645 a，W6在13.25 m深處為604 a，W7在14 m處為201 a。W5的地下水年齡較W6、W7大很多，原因可能是該鉆孔處于巴彥烏拉山山腳，距離吉蘭泰鹽湖區較近。表2利用氯質量平衡理論估算年平均地下水補給情況

綜上所述，根據14C測年得出的飽和帶地下水年齡為22 000 a-現代，根據氯質量平衡理論估算出的非飽和帶地下水年齡為2 645 a：而Cl-的變化范圍飽和帶與非飽和帶基本相同，都在1 800 mg/L以內（見圖4）。

3 結語

（1）通過Netpath軟件模擬得到的烏蘭布和沙漠地下水的14C校正年齡約為22 000 a-現代（在地質年代上屬第四紀時期）.與Wei G.等[24]對于吉蘭泰盆地地下水14C測年為15 000 a～現代的結論基本一致：通過氯質量平衡理論得出的烏蘭布和沙漠包氣帶水年齡為2 600 a，與Huang T.等[4]得出的鄂爾多斯盆地包氣帶Cl-累積年齡為2 500 a的結論基本一致。而Ma J.Z.等[25]根據氯質量平衡理論得出的中國西北部干旱區Cl-累積年齡要小一些，原因可能是取樣點位置不同。

（2）根據氯質量平衡理論得出非飽和帶地下水的補給速率為0.19 - 2.55 mm/a，均值為1.12 mm/a.說明降水對于包氣帶水的補給作用極小，而一些學者[4，25-26]研究得出，巴丹吉林沙漠地下水的補給速率在3 mm/a以下：另有學者[27]通過建立數值模型，得出巴丹吉林沙漠非飽和帶地下水的補給速率為11- 30mm/a，這一差異產生的原因可能是采用的方法不同。研究區地下水的更新速率非常緩慢，開發需謹慎。

參考文獻：

[1] JASECHKO S，BIRKS S J，CLEESON T，et al.The Pro-nounced Seasonality of Clobal Croundwater Recharge[ J].Water Resources Research， 2014， 50（ 11）： 8845 - 8867.

[2] 楊澤元，王文科，王雁林，等，干旱半干旱區地下水引起的表生生態效應及其評價指標體系研究[J].干旱區資源與環境，2006，20（3）：105-111.

[3] 馬金珠，高前兆，干旱區地下水脆弱性特征及評價方法探討[J].干旱區地理，2003，26（1）：44-49.

[4]

HUANCT，PANCZ，LIU J，et al.Croundwater Rechargein an Arid Crassland As Indicated by Soil Chloride Profileand Multiple Tracers[J].Hydrological Processes， 2017， 31（5）：1047-1057.

[5] MA J，EDMUNDS W M. Croundwater and Lake Evolution inthe Badain Jaran Desert Ecosystem， Inner Mongolia[ J].

Hydrogeology Joumal， 2006， 14（7）：1231- 1243.

[6] CATES J B， EDMUNDS W M， Ma J，et al.EstimatingCroundwater Recharge in a Cold Desert Environment inNorthem China Using Chloride[J].Hydrogeology Joumal，2008，16（5）：893-910.

[7]郭嬌，石建省，王偉，華北平原地下水年齡校正[J].地球學報，2007，28（4）：396-404.

[8] 丁貞玉，石羊河流域及騰格里沙漠地下水補給過程及演化規律[D].蘭州：蘭州大學，2010：1-117.

[9]李惠娣，測年方法在地下水中的應用[J].水資源與水工程學報，2008，19（1）：1-6.

[10] 陳宗宇，陳京生，費宇紅，等，利用氚估算太行山前地下水更新速率[J].核技術，2006，29（6）：426-431.

[11] 韓永，王廣才，邢立亭，等，地下水放射性同位素測年方法研究進展[J].煤田地質與勘探，2009，37（5）：37-42.

[12] 黨慧慧，董軍，岳寧，等，賀蘭山以北烏蘭布和沙漠地下水水化學特征演化規律研究[J].冰川凍土，2015，37（3）：793-802.

[13] 黨慧慧，烏蘭布和沙漠地下水水化學特征和水文地球化學過程[D].蘭州：蘭州大學，2016：1-44.

[14] 陳宗宇，聶振龍，張荷生，等，從黑河流域地下水年齡論其資源屬性[J].地質學報，2004，78（4）：560-567.

[15] 吳月，巴丹吉林沙漠地下水同位素特征與地下水年齡研究[D].蘭州：蘭州大學，2014：1-108.

[16]

ERIKSSON E，KHUNAKASEM V.Chloride Concentrationin Croundwater， Recharge Rate and Rate of Deposition ofChloride in the Israel Coastal Plain[J].Joumal of Hydrolo-gy，1969，7（2）：178-197.

[17] 岳寧，魏國孝，孫朋，等.烏蘭布和沙漠降水人滲補給對氣候變化的響應[J].中國沙漠，2017（5）：1016-1025.

[18] EDMUNDS W M， DARLINC W G，KINNIBURCH D G.Solute Profile Techniques for Recharge Estimation in Semi-Arid and Arid Terrain[G]∥Simmers I.Estimation of Nat-ural Croundwater Recharge. Dordrecht： Springer Nether-lands，1988：139-157.

[19]

ALLISON G B， STONE W J，HUCHES M W. Recharge inKarst and Dune Elements of a Semi-Arid Landscape as In-dicated by Natural Isotopes and Chloride[ J]. Joumal ofHydrology， 1985 ，76（ 1） ： 1-25.

[20] EVANS G V， OTLET R L， DOWNINC R A， et al. SomeProblems in the Interpretation of Isotope Measurements inUnited Kingdom Aquifers [ J] . Journal of Cellular Physiolo-gy，1979，207（ 3） ：683-688.

[21] EICHINCER L. A Contribution to the Interpretation of 14CCroundwater Ages Considering the Example of a PartiallyConfined Sandstone Aquifer [ J]. Radiocarbon， 1983， 25（ 2） ： 347-356.

[22]

MA J， LI D， ZHANC J， et al. Croundwater Recharge andClimatic Change During the Last 1000 Years from Unsatu-rated Zone of SE Badain Jaran Desert[ J] . Chinese ScienceBulletin，2003，48（ 14） ：1469-1474.

[23] MA J， WANC Y， ZHAO Y， et al. Spatial Distribution ofChloride and Nitrate Within an Unsaturated Dune Sand of aCold-Arid Desert ： Implications for Paleoenvironmental Re- cords [ J ] . Catena， 2012， 96 ： 68-75.

[24]

WEI G， ZHU X， YUE N， et al. Constraining the Croundw-ater Flow System and Aquifer Properties Using Major Ions，Environmental Traces and a Simple Physical Model in Chi-na ' s Jilantai Basin [ J ] . Environmental Earth Sciences， 2016，75（ 6） ：1-20.

[25]

MA J， DINC Z， EDMUNDS W M， et al. Limits to Rechargeof Croundwater from Tibetan Plateau to the Gobi Desert，Implications for Water Management in the Mountain Front[J]. Joumal of Hydrology （ Amsterdam） ， 2009， 364 （ l-2） ： 128-141.

[26] EDMUNDS W M， MA J， AESCHBACH_HERrflC W， etal. Croundwater Recharge History and HydrogeochemicalEvolution in the Minqin Basin ， Northwest China [ J] . Ap-plied Ceochemistry ， 2006 ， 21 （ 12） ： 2148-2170.

[27] HOU L， WANC X S， HU B X， et al. Experimental andNumerical Investigations of Soil Water Balance at the Hin-terland of the Badain Jaran Desert for CroundwaterRecharge Estimation [ J ] . Joumal of Hydrology ， 2016， 540 ：386-396.